第1章 緒論

1.1 工程背景

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，資源開發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正以前所未有的速度發(fā)展。水電工程、公路工程、鐵路工程、礦山工程等常常面臨著高邊坡開挖、地下洞室開挖等巖體穩(wěn)定問(wèn)題。巖體穩(wěn)定問(wèn)題，直接關(guān)乎工程建設(shè)的成敗與安全，如果處理不當(dāng)，往往會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)想的嚴(yán)重后果。以水電工程為例，法國(guó)瑪爾帕塞拱壩潰壩事件，導(dǎo)致下游12km處Frejus城鎮(zhèn)部分被毀、421人死亡的嚴(yán)重后果^［1］；天生橋二級(jí)水電站進(jìn)場(chǎng)右岸擋墻基坑開挖導(dǎo)致滑坡，使48人喪生^［2］；清江隔河巖水電站右岸導(dǎo)流洞出口邊坡失穩(wěn)，近20萬(wàn)m³巖體解體，延誤工期3個(gè)月^［2］；黃河小浪底水利樞紐進(jìn)場(chǎng)公路開挖時(shí)，發(fā)生30萬(wàn)m³滑坡，造成公路改道、增加交通隧道及橋梁工程等大量追加投資^［2］；云南瀾滄江漫灣水電站左岸纜機(jī)平臺(tái)邊坡失穩(wěn)的治理工程耗資1.2億元，延誤工期一年，損失超過(guò)10億元^［2］等。

巖體在形成與存在的歷史過(guò)程中，經(jīng)受各種復(fù)雜而不均衡地質(zhì)作用及構(gòu)造作用的影響，使巖體內(nèi)充滿各種不連續(xù)面和缺陷，如節(jié)理、裂隙、斷層、褶皺及接觸帶、剪切帶^[3]等。這些結(jié)構(gòu)面形成了復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)，在切割巖體形成巖石塊體的同時(shí)也形成巖體的滲流通道。這些結(jié)構(gòu)面對(duì)于巖體力學(xué)性質(zhì)的影響遠(yuǎn)大于巖石塊體本身對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響，巖體的強(qiáng)度、變形及滲透性往往決定于巖體的結(jié)構(gòu)特征^[49]。傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法如有限元法、邊界元法、有限差分法都是采用連續(xù)體變形模型，所研究的介質(zhì)服從應(yīng)力平衡和位移協(xié)調(diào)。這些基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的數(shù)值分析方法不能較好地反映巖體力學(xué)特性與水力學(xué)特性，為此，各國(guó)學(xué)者開始研究基于非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的數(shù)值分析方法^[1013]。例如早期的關(guān)鍵塊體理論，后來(lái)用于研究塊體運(yùn)動(dòng)的離散單元法（Discrete Element Method，DEM）和不連續(xù)變形分析（Discontinuous Deformation Analysis，DDA），以及現(xiàn)在的數(shù)值流形方法（Numerical Manifold Method，NMM）和顆粒體離散元（Particle Flow Code，PFC），另外還有用于巖體滲流特性分析的離散裂隙網(wǎng)絡(luò)（Discrete Fracture Net-work，DFN）方法等。

這些方法在模擬巖體特性方面雖然表現(xiàn)出傳統(tǒng)數(shù)值分析方法不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但是還存在很多問(wèn)題，例如如何根據(jù)裂隙識(shí)別出基本計(jì)算單元、采取何種高效地接觸搜索算法以及建立何種接觸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等問(wèn)題。這些都是比較棘手的問(wèn)題，它們一直制約著非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析方法在巖體工程中的應(yīng)用與發(fā)展。為此，本書重點(diǎn)研究如何根據(jù)巖體中的裂隙網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建基本計(jì)算單元（即巖石塊體或裂隙滲流面）問(wèn)題，它不僅是非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析方法的基本問(wèn)題，而且還是首要問(wèn)題。開展這方面的研究，將有助于這些非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析方法本身的進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)也為更好地模擬巖體的力學(xué)特性與水力學(xué)特性以及研究巖體工程穩(wěn)定性問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。